EMC学习笔记（一）PCB电路板层的设置
EMC学习笔记（一）PCB电路板层的设置
1.概述
在PCB的EMC设计考虑中，首先涉及的便是层的设置; 单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成:电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对单板的EMC指标至关重要。
2.合理的层数
根据单板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量，以及综合单板的性能指标要求与成本 承受能力，确定单板的层数;对于EMC指标要求苛刻 (如: 产品需认证CISPR16 CLASS B) 而相对成本能承受的情况下，适当增加地平面乃是PCB的EMC设计的杀手锏之一。
2.1 VCC、GND的层数
单板电源的层数由其种类数量决定 : 对于单一电源供电的PCB，一个电源平面足够了 : 对于多种电源，若互不交错，可考虑采取电源层分割(保证相邻层的关键信号布线不跨分割区 ):对于电源互相交错 (尤其是象8260等IC，多种电源供电，且互相交错)的单板，则必须考虑采用2个或以上的电源平面，每个电源平面的设置需满足以下条件:
单一电源或多种互不交错的电源;
相邻层的关键信号不跨分割区:地的层数除满足电源平面的要求外，还要考虑;
元件面下面(第2层或倒数第2层) 有相对完整的地平面;
高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面;
关键电源有一对应地平面相邻(如48V与BGND相邻).
2.2信号层数
在CAD现行工具软件中，在网表调入完毕后，EDA软件能提供一布局 、布线密度参数报告，由此参数可对信号所需的层数有个大致的判断: 经验丰富的CAD工程师，能根据以上参数再结合板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量以及单板的性能指标要求与成本 承受能力，最后确定单板的信号层数。
信号的层数主要取决于功能实现，从EMC的角度，需要考虑关键信号网络(强辐射网络以及易受干扰的小、弱信号) 的屏蔽或隔离措施。
3.单板的性能指标与成本要求
面对日趋残酷的通讯市场竞争，我们的产品开发面临越来越大的压力 ; 时间、质量、成本是我们能否战胜对手乃至生存的基本条件 。对于高端产品，为了尽快将质量过硬的产品推向市场，适当的成本增加在所难免;而对于成熟产品或价格压力较大的产品，我们必须尽量减少层数、降低加工难度，用性价比合适的产品参与市场竞争。对于消费类产品，如，电视、VCD、计算机的主板一般都使用6层以下的PCB板，而且会为了满足大批量生产的要求、严格遵守有关工艺规范、牺牲部分性能指标。但对于诸如我司当初的GSM、目前的GSR等产品:为了尽快将稳定产品推向市场，在开发的初始阶段，过于强调成本、加工工艺因素毫无疑会对产品的开发进度 、质量造成一定的影响。
以下为目前我司与PCB供应商达成的PCB板加工价格列表，大家在考虑性能、成本时可作参
(表只给出以板厚为2.0mm的4层样板每平方厘米价格的比值，仅供参考)
4.电源层、地层、信号层的相对位置
4.1 VCC\GND平面的阻抗以及电源、地之间的EMC环境问题
(此问题有待深入研究、以下列出现有部分观点，仅供参考)
电源、地平面存在自身的特性阻抗，电源平面的阻抗比地平面阻抗高；
为降低电源平面的阻抗，尽量将PCB的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并且尽量靠近，利用两者的糊合电容，降低电源平面的阻抗;
电源地平面构成的平面电容与PCB上的退电容一起构成频响曲线比较复杂的电源地电容，它的有效退糊频带比较宽，(但存在谱振问题)。
4.2 VCC、GND作为参考平面，两者的作用与区别
电源、地平面均能用作参考平面，且有一定的屏蔽作用，但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位势差，从屏蔽的角度，地平面一般均作了接地处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面；
在选择参考平面时，应优选地平面。
4.3 电源层、地层、信号层的相对位置
对于电源、地的层数以及信号层数确定后，它们之间的相对排布位置是每一个EMC工程师都不能回避的话题;
单板 层的排布一般原则:
a. 元件面下面(第二层) 为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；
b. 所有信号层尽可能与地平面相邻;
c.尽量避免两信号层直接相邻；
d.主电源尽可能与其对应地相邻;
兼顾层压结构对称。
对于母板的层排布，鉴于我司现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级 工作频率在50MHZ以上的 (50MHZ以下的情况可参照，适当放宽)，建议排布原则:
a. 元件面、焊接面为完整的地平面 屏蔽) ;
b. 无相邻平行布线层;
c. 所有信号层尽可能与地平面相邻；
d.关键信号与地层相邻，不跨分割区。
注:具体PCB的层的设置时，要对以上原则进行灵活掌握，在领会以上原则的基础上，根据实际单板的需求，如:是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等，确定层的排布，切忌生搬硬套，或抠住一点不放。鉴于篇幅有限，本文仅列出一般原则，供大家参考。
以下为单板层的排布的具体探讨:
此方案为CAD室现行四层PCB的主选层设置方案，在元件面下有一地平面，关键信号优选布TOP层;至于层厚设置，有以下建议:
满足阻抗控制；
芯板 (GND到POWER) 不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗;保证电源平面的去藕效果;
为了达到一定的屏蔽效果，有人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层，即采用方案2：
此方案为了达到想要的屏蔽效果，至少存在以下缺陷:
电源、地相距过远，电源平面阻抗较大
电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整
由于参考面不完整，信号阻抗不连续
实际上，由于大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，预期的屏蔽效果很难实现:方案2使用范围有限。但在个别单板中，方案2不失为最佳层设置方案。以下为方案2在XX产品的接口滤波板中的使用案例;
案例 (特例): 在XX产品的接口滤波板XXX的设计过程中，出现了以下情况:
A，整板无电源平面，只有GND、PGND各占一个平面;
B，整板走线简单，但作为接口滤波板，布线的辐射必须关注;
C，该板贴片元件较少，多数为插件。
分析:
1，由于该板无电源平面，电源平面阻抗问题也就不存在了;
2，由于贴片元件少(单面布局) ，若表层做平面层，内层走线，参考平面的完整性基本得到保证，而且第二层可铺铜保证少量顶层走线的参考平面;3，作为接口滤波板，PCB布线的辐射必须关注，若内层走线，表层为GND、PGND，走线得到很好的屏蔽，传输线的辐射得到控制:
鉴于以上原因，在本板的层的排布时，我们决定采用方案2，即: GND、S1、S2、PGND，由于表层仍有少量短走线，而底层则为完整的地平面，我们在S1布线层铺铜，保证了表层走线的参考平面;
在传输XX产品的五块接口滤波板中，出于以上同样的分析，设计人员吴均决定采用方案2,同样不失为层的设置经典。
列举以上特例，就是要告诉大家，要领会层的排布原则，而非机械照搬。
此方案同方案1类似，适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况;一般情况下，限制使用此方案。
对于六层板，优先考虑方案3，优选布线层S2，其次S3、S1。主电源及其对应的地布在4、5层，层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2之间的间距(相应缩小G1-S2层之间的间距)，以减小电源平面的阻抗，减少电源对S2的影响;
在成本要求较高的时候，可采用方案1，优选布线层S1、S2，其次S3、S4，与方案1相比，方案2保证了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但S1、S2、S3、S4全部裸露在外，只有S2才有较好的参考平面;
对于局部、少量信号要求较高的场合，方案4比方案3更适合，它能提供极佳的布线层S2。
对于单电源的情况下，方案2比方案1减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地相邻，保证了所有信号层与地平面相邻，代价是:牺牲一布线层;
对于双电源的情况，推荐采用方案3，方案3兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源与地相邻等优点，但S4应减少关键布线;
方案4:无相邻布线层、层压结构对称，但电源平面阻抗较高: 应适当加大3-4、5-6，缩小2-3、6-7之间层间距；
方案5:与方案4相比，保证了电源、地平面相邻:但S2、S3相邻，S4以P2作参考平面: 对于底层关键布线较少以及S2、S3之间的线间窜扰能控制的情况下此方案可以考虑；
方案3: 扩大3-4与7-8各自间距，缩小5-6间距，主电源及其对应地应置于6、7层;优选布线层S2、S3、S4，其次S1、S5; 本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾了性能、成本:推荐大家使用:但需注意避免S2、S3之间平行、长距离布线;
方案4: EMC效果极佳，但与方案3比，牺牲一布线层:在成本要求不高、EMC指标要求较高、且必须双电源层的关键单板，建议采用此种方案: 优选布线层S2、S3。
对于单电源层的情况，首先考虑方案2，其次考虑方案1。方案1具有明显的成本优势，但相邻布线过多，平行长线难以控制。
以上方案中，方案2、4具有极好的EMC性能，方案1、3具有较佳的性价比:
对于14层及以上层数的单板，由于其组合情况的多样性，这里不再一一列举。大家可按照以上排布原则，根据实际情况具体分析。
以上层排布作为一般原则，仅供参考，具体设计过程中大家可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上排布原则灵活掌握:对于个别有争议的内容我们尽可能提供相关的实验数据、案例，给予界定，在此之前，建议大家优选推荐方案。
